二色补血草叶片盐腺泌盐机理的研究

摘要

根据盐生植物耐盐机理及其以及形态结构和生态学特点的不同，盐生植物可以分为真盐生植物、假盐生植物和泌盐盐生植物。泌盐盐生植物又分为具有盐腺的向外泌盐的盐生植物和具有盐囊泡的向内泌盐的盐生植物。泌盐盐生植物最显著的形态结构特征是具有泌盐结构(盐腺或盐囊泡)将过多的盐分排出体外，它们在提高植物的耐盐性方面发挥重要作用。二色补血草为典型的泌盐盐生植物，具有多细胞盐腺结构，被誉为改造盐碱地的“先锋植物”。因此，研究二色补血草盐腺的泌盐机理具有重要意义。
　　利用扫描离子选择电极技术对二色补血草叶片进出盐腺的Na+，K+，Cl-和H+流进行非损伤性地测定来研究其泌盐机制。200 mM NaCl或 KCl处理导致了Na+或 K+外流的显著增加并且增强了质膜上 H+泵的活性。这些现象都可以通过质膜 H+-ATPase专一性抑制剂 Na3VO4预处理得到有效抑制。Bumetanide(一种 Na+：K+：Cl-共转运体的专一性抑制剂)和amiloride(一种 Na+/H+逆向转运蛋白的专一性抑制剂)预处理使得 Na+分泌速率显著降低。当 NaCl和KCl的浓度同为200 mM时，叶片 K+浓度高于Na+浓度，然而盐腺个体 Na+的分泌速率却显著高于K+。这些结果表明盐腺分泌细胞质膜上的H+-ATPase建立起跨膜的H+电化学势梯度作为驱动力参与盐腺的泌盐过程，盐腺分泌细胞质膜上的Na+/H+逆向转运蛋白(SOS1)利用跨膜质子梯度把 Na+泵出细胞外；盐腺分泌细胞质膜上的Na+：K+：Cl-共转运体利用跨膜电势差把 Na+，K+和Cl-排到细胞外。令人惊奇的是，用乌本苷(一种动物Na+/K+ATPase的专一性抑制剂)预处理使二色补血草盐腺 Na+分泌速率明显降低而 K+分泌速率显著升高，同时激光共聚焦显微镜也观察到了更多的Na+积累在盐腺细胞中，这表明盐腺细胞中可能存在Na+/K+-ATPase并在泌盐过程中发挥作用。而 Na+/H+逆向转运蛋白、Na+：K+：Cl-共转运体和Na+/K+-ATPase的共同作用可能是盐腺 Na+的分泌速率高于K+的原因。
　　以二色补血草为材料，研究了Hoagland营养液和含200 mM NaCl的Hoagland营养液处理对围绕盐腺的一类特殊表皮细胞的形态和泌盐速率的影响。与 Hoagland营养液处理的对照相比，这些表皮细胞有以下特点:(1)200 mM NaCl处理时盐腺周围的表皮细胞明显地凸出于盐腺细胞且两者表面有大量的盐晶体，而 Hoagland营养液处理时盐腺周围的表皮细胞却没有明显的凸出，表皮细胞和盐腺细胞表面几乎没有盐晶体；(2)NaCl处理显著促进盐腺周围特殊表皮细胞扩大；(3)在200 mM NaCl处理时，随着盐腺和表皮细胞交界处到被测位点距离的增加，Na+的排出速率逐渐减小，H+的排出速率逐渐减小直至内吸。这也是首次证明二色补血草盐腺周围的表皮细胞是一类具有一定分泌能力的特殊的表皮细胞。
　　为了探讨 Ca2+在盐腺泌盐过程中的作用，用含有不同浓度(0、5 mM、20 mM) Ca2+的改良 Hoagland(含200 mM NaCl)处理二色补血草，15天后观察其盐腺的发育情况及泌盐能力。结果表明:20 mM Ca2+处理下二色补血草叶面积比0 mM和5 mM Ca2+处理下显著增大，20 mM Ca2+处理下二色补血草叶面积为0 mM Ca2+处理下叶片面积的2.34倍，而5 mM Ca2+处理下叶片面积与0 mM Ca2+处理时叶片面积差别不明显。随着 Ca2+浓度升高，单叶盐腺总数和盐腺的直径均显著增加。20 mM Ca2+处理下二色补血草叶片盐腺总数为0 mM Ca2+处理下叶片盐腺总数的6.1倍，5 mM和20 mM Ca2+处理时盐腺的直径分别为0 mM Ca2+处理时盐腺直径的1.59和1.63倍。20 mM Ca2+处理下，叶片整体的泌盐速率比5 mM Ca2+处理显著增加，单个盐腺泌盐速率无显著差异。在0 mM Ca2+处理下，叶片细胞质膜透性显著升高，使离子大量渗漏，叶片整体的Na+流失速率增加。这些结果表明 Ca2+浓度的增加显著促进了二色补血草叶片盐腺的发育和泌盐速率，单片叶泌盐速率的增强与单个盐腺的泌盐速率和盐腺数目的增加有关，单个盐腺的泌盐速率与盐腺的直径大小有一定关系。
　　本研究的主要创新点:
　　1首次利用扫描离子选择电极技术对二色补血草的单个盐腺的泌盐速率直接进行实时的测定；
　　2发现 H+-ATPase、Na+：K+：Cl-共转运体和Na+/H+逆向转运蛋白可能在盐腺的泌盐过程中协同起作用以及盐腺细胞中可能存在Na+/K+-ATPase并在泌盐过程中发挥作用；正是盐腺分泌细胞质膜 Na+/H+逆向转运蛋白、Na+：K+：Cl-共转运体和Na+/K+-ATPase的共同作用导致盐腺 Na+的分泌速率高于K+；
　　3发现二色补血草盐腺周围的表皮细胞是一类具有一定分泌能力的特殊的表皮细胞；
　　4发现 Ca2+在二色补血草叶片盐腺泌盐过程中起重要作用。

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第一章 文献综述

1 泌盐盐生植物盐囊泡和盐腺研究进展

2 研究泌盐盐生植物盐腺分泌过程的方法

3 本实验的目的和意义

第二章 二色补血草叶片盐腺分泌细胞质膜上 Na+: K+: Cl-

1 实验材料及方法

2 实验结果

3 讨论

第三章 乌本苷处理对二色补血草叶片盐腺泌盐能力的影响

1 实验材料及方法

2 结果

3 讨论

第四章 一类与盐腺分泌功能有密切关系的二色补血草叶片特殊

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

第五章 Ca2+显著促进 NaCl 处理下二色补血草盐腺的发育和泌

1 材料和方法

2 结果

3.讨论

第六章 研究结论与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文